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Projetando o futuro

Materiais

Ligas de Níquel




Níquel:

O níquel se apresenta como um metal branco prateado, similar em muitos aspectos ao metal ferro, porém com uma boa resistência à oxidação e à corrosão.

É utilizado como elemento de liga principalmente na melhoria de resistência mecânica a altas temperaturas, resistência à corrosão e outras propriedades numa ampla faixa de ligas ferrosas e não-ferrosas.

Outras propriedades que se destacam são as condutividades térmica e elétrica, assim como propriedade magnética. Propriedades que fazem do níquel e suas ligas, metais bastante valiosos.


Ligas de níquel:

Somando cerca de 14% do níquel usado, as ligas de níquel são empregadas principalmente em serviços submetidos a altas temperaturas e à corrosão.

As ligas contendo Cromo apresentam uma boa resistência à oxidação em temperaturas elevadas e também resistem à corrosão. Variedades contendo quantidades apropriadas de alumínio e titânio são endurecíeis por precipitação e apresentam uma alta resistência mecânica a temperaturas elevadas.

As ligas de níquel são divididas em várias familias: níquel comercialmente puro; ligas binárias, tais como Ni-Cu e Ni-Mo; ligas ternárias, tais como, Ni-Cr-Fe e Ni-Cr-Mo; ligas complexas, como Ni-Cr-Fe-Mo-Cu (com a possibilidade de outros elementos adicionais); e as superligas.

Puro ou em ligas metálicas, o níquel tem muitas e variadas aplicações.

É um metal muito resistente à corrosão, não é surpreendente que 65% da produção mundial de níquel seja destinada para a produção de aço inoxidável. O aço inoxidável é uma liga constituída principalmente por ferro, com 18% de cromo e 8% de níquel. Este aço é usado nas mais diversas aplicações desde o simples material de cozinha até material de construção para trilhos de trem ou a construção de plataformas petrolíferas offshore.

Algumas outras ligas que contêm níquel têm aplicações interessantes.


Exemplos:
  • Ligas de níquel/cobre (Ex: MonelTM ) são extremamente resistente à corrosão em especial na água salgada sendo por isso utilizada na indústria naval e petrolífera. Por ser resistente a meios ácidos é também utilizada na indústria alimentícia.


  • As ligas níquel/cromo/molibdênio (Ex: InconelTM ) possuem ainda resistência à corrosão sob tensão em meios com cloretos devido ao alto teor de níquel; e esse elemento confere ainda resistência à meios básicos (como soda cáustica) e meios ácidos redutores diluídos, contudo não impede à corrosão por pites ou por formação de depósitos na superfície da peça.


  • Ligas níquel e cromo, contendo entre 11 % e 22 % de cromo e pequenas quantidades de outros elementos, são constituintes comuns nas resistências elétricas de torradeiras e fornos.


  • Outra utilização das ligas de níquel é a cunhagem de moedas. O exemplo mais mediático é a moeda de 5 centavos de dólar americano, que é designada por níquel, mas que, de fato, só contêm 25% de níquel na sua composição. Esta moeda começou a ser produzida em 1865. Por outro lado, na Europa, as moedas com níquel foram introduzidas na Bélgica em 1860. Ainda hoje continuam a ser cunhada em Portugal moedas em liga de cuproníquel, uma liga de cobre e níquel.


  • Aplicações no pré-sal: Soluções para reduzir a corrosão, com a utilização de aço forjado com revestimento de ligas de níquel em larga escala. (linhas de transporte de óleo e os anéis BX, colocados entre as flanges das tubulações de óleo)


  • Manuseio de soda cáustica; Peças de bombas, eixos propulsores, equipamentos para decapagem e processos químicos.

O desenvolvimento das chamadas superligas, de níquel, de cobalto e de ferro começou nos Estados Unidos nos anos 1930, porém ao longo dos anos as superligas de níquel tornaram-se as mais utilizadas.
Além das turbinas de jatos, as superligas de níquel encontram aplicações variadas em altas temperaturas,
como em motores de foguetes e veículos espaciais em geral, reatores nucleares, submarinos, usinas termoelétricas,
equipamento petroquímico, por exemplo. Entretanto, a principal aplicação dessas ligas continua sendo seu uso em turbinas de jatos de aviação.

Outros materiais, como ligas de cromo, de outros metais de mais alto ponto de fusão, e cerâmicos refratários,
têm sido estudados como possíveis alternativas ao uso das superligas de níquel, porém até o momento,
não foi encontrada nestes materiais uma melhor combinação de propriedades requeridas para esse tipo de aplicação do que a atualmente obtida com as superligas de níquel.



Propriedades das Superligas de Níquel
Propriedades Físicas

O níquel puro possui densidade de 8,9 g/cm3, ponto de fusão 1455 ºC, estrutura cristalina CFC (cúbica de face centrada). A densidade da maioria das superligas de níquel fica entre 7,79 e 9,32 g/cm3.

Por exemplo, a densidade da Inconel 100 (contém cerca de 60 % de níquel) é de 7,79 g/cm3, devido aos elevados teores de alumínio e de titânio, ao passo que as superligas com altos teores de tungstênio e tântalo chegam a densidades da ordem de 9,07 g/cm3. A densidade é uma propriedade importante para as superligas de níquel, uma vez que a redução da densidade do componente de turbina de jato leva a um aumento das tensões centrífugas, reduzindo a vida útil do componente.

A condutividade térmica do níquel puro é da ordem de 0,089 (W/mm2)/(ºC/mm), portanto superior à do ferro puro (CCC: cúbico de corpo centrado), que atinge somente 0,072 (W/mm2)/(ºC/mm).
Porém a condutividade térmica das superligas é muito inferior, da ordem de 10 % desses valores, devido à adição de muitos elementos de liga em elevados teores.
O ideal seria obter superligas com maior condutividade térmica, já que isso seria importante para dissipar calor e assim minimizar os gradientes de temperatura, reduzindo então as tensões térmicas e assim a tendência de ocorrer falha por fadiga térmica.

A expansão térmica nas superligas de níquel é menor do que nas ligas ferrosas austeníticas e isso são importantes do ponto de vista da aplicação em turbinas de jatos, já que esses componentes são projetados com estreitas tolerâncias dimensionais para operar bem em serviço, além de um baixo coeficiente de expansão térmica contribuir para minimizar as tensões térmicas,
minimizando assim a ocorrência de empenamento e fadiga térmica.



Propriedades Mecânicas

A razão primordial para a existência das superligas de níquel com diferentes composições químicas é a sua excelente resistência mecânica num amplo intervalo de temperaturas.

A estrutura cristalina compacta cúbica de face centrada (CFC) da matriz austenítica das superligas de níquel,
como já foi comprovado, apresenta grande capacidade de manter resistência à tração, à ruptura e boas propriedades de fluência em temperaturas homólogas muito mais altas do que as ligas de matriz cúbica de corpo centrado (CCC) por causa de vários fatores, incluindo o excelente módulo de elasticidade e a alta difusividade que os elementos secundários possuem nesse tipo de matriz.

É de grande importância a grande solubilidade de muitos elementos de liga na matriz austenítica e a capacidade de controle da precipitação de fases intermetálicas como a gama linha, que conferem alta resistência mecânica. O endurecimento também pode ser aumentado pela formação de carbetos e também pela dissolução de alguns elementos na matriz (endurecimento por solução sólida).

Essa capacidade de endurecimento dessas ligas austeníticas de níquel, de cobalto e de ferro as torna adequadas para aplicações em turbinas de jato e motores de foguetes, que exigem alta resistência mecânica em média e alta temperatura.

Entretanto, não apenas a resistência mecânica/dureza é importante nesse tipo de aplicações.

A ductilidade nas condições de serviço também é importante, e a maioria das superligas apresenta boa ductilidade.

As superligas em geral apresentam também boa resistência ao impacto, à fadiga de alto e de baixo ciclo e à fadiga térmica.